Les eaux souterraines représentent environ 98% des eaux douces potentiellement disponibles pour l'homme sur notre planète, en faisant donc une ressource fondamentale de nos sociétés. Du fait du changement climatique et du fort lien existant entre le climat et le cycle de l'eau, une préoccupation légitime est née concernant l'impact potentiel de ce changement climatique sur les ressources en eau. À ce jour, des évidences de plus en plus nombreuses appuient le fait que les modifications des conditions climatiques se répercutent sur le cycle hydrologique. L'identification de la sensibilité des eaux souterraines aux variations climatiques est donc devenue indispensable. Or, le climat est un système hautement complexe dont les variations, contrôlées par de nombreux facteurs à la fois naturels et anthropiques s'effectuent sur toutes les échelles de temps. Les modifications climatiques ne sont donc pas un phénomène nouveau, les eaux souterraines ont par conséquent subi dans le passé les effets de ces variations climatiques, elles en subissent actuellement les changements et subiront celles à venir. Les travaux développés dans cette thèse ont abordé cette problématique visant à caractériser la sensibilité de la ressource en souterraine face aux variations climatiques. À l'aide de l'analyse de traceurs environnementaux à l'échelle régionale, les impacts d'évènements climatiques majeurs intervenus sur les derniers millions d'années (transgression marine et période glaciaire) sont mis en évidence au sein du système hydrogéologique actuel. Puis, à l'aide de modélisation hydrogéologique, l'impact du changement climatique est étudié à travers les relations particulières existantes entre l'eau souterraine et les compartiments de surface et l'océan. Toutes ces études mettent en avant la sensibilité de la ressource en eau souterraine aux variations climatiques en termes de qualité (salinisation) et de quantité (baisse des niveaux d'eau). Les ressources hydrogéologiques sont particulièrement sensibles aux variations climatiques et hydrologiques (modifications de recharge, intrusions eau de mer…) ainsi qu'aux facteurs non climatiques (activités humaines). La gestion de cette ressource nécessite donc de considérer à la fois les risques climatiques et non climatiques ainsi que de prendre en compte l'adaptation à long terme de ces systèmes.